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　為了減少管網漏損和提高服務水平，我們已經看到越來越多的自來水公司使用量化模型來預測管道故障。但是這些模型通常是由環境數據科學家搭建的，基建、天氣、環境數據是這些模型的基礎，然而他們缺乏現場修復管道以及記錄網絡故障數據的經驗。由于基建數據記錄可能會不一致、不完整，甚至不準確，因此建模者和現場操作工人之間存在脫節，這可能會導致模型的邏輯錯誤，也就是錯誤解讀數據，設計了“錯誤的”模型。
　　加深對管道故障的認識，有助促進環境科學家對模型輸入數據和建模方法的選擇。為了幫助數據科學家搭建更準確的預測模型，最近英國Cranfield University的水、能源和環境學院的科學家對影響5種常見材質的水管故障的典型因素進行了總結分析。
　　水管材質
　　英國團隊在這份報告里考察的5種常見水管材質包括：
　　1) 鑄鐵
　　2) 球墨鑄鐵
　　3) 石棉水泥
　　4) 聚氯乙烯 (PVC)
　　5) 聚乙烯 (PE)
　　他們對這五種材料的使用年份、管網長度及其在2005-2008年間的故障率進行了統計(表1)。

　　表1. 英國某水務公司提供的管道歷史數據
　　典型水管故障模式包括了圓周斷裂、縱向破裂、連接位置的故障以及破損小孔。其中圓周環形斷裂一般因為拉力(土壤運動或者熱脹冷縮)和負載承重(峰時流量)引起。縱向破裂則是因為橫向力和徑向力(例如內部水壓)引起，也可能因管道本身存在缺陷使然。接頭故障一般由拉力或壓力產生，下圖是這四種故障的示例圖。

　　圖1. 4種常見故障模式的示例圖
　　水管故障有許多不同的模式和原因，而且對每種管材和地區而言，故障因素和相對貢獻都是獨一無二的。研究團隊大致將這些因素分為了管材自身、運行和環境三大類。然后每一大類里邊還可以繼續分析，他們將這些細分因素用下邊這個圓盤圖來表示：

　　圖2. 影響水管故障的主要因素
　　下面我們對這三種因素分別進行討論。
　　管道自身因素
　　在英國，鑄鐵是使用年份最久的管道材料，可以追溯至19世紀中期。在上世紀50年代左右，英國人發明了離心鑄造機，韌性更好的球墨鑄鐵和鋼材開始進入市場。球墨鑄鐵因為在合金里加入鎂，使得微觀結構里的石墨從薄片狀變成球形，使材質更堅韌。鋼材更加堅固，延展性也好于鑄鐵，和球墨鑄鐵相比，還更加便宜，但抗拉強度和抗腐蝕能力較弱，因此需要更多維護。兩種材料各有優點，一般來說，球墨鑄鐵適用于DN 300-800的管道，而鋼材是DN>800管道的首選材料。

　　圖3. 英國各種材料的飲用水管道的安裝時間分布
　　英國水務公司早在1929年就引入石棉水泥(AC)管材，但大部分石棉水泥管的鼎盛期在1950-1960s這段時間。它的建造和運費都較便宜，一般來說也抗腐蝕，除了富含硫酸鹽的土壤。但它的韌性不及球墨鑄鐵和鋼材，因此受地質運動影響嚴重，另外，在1986年，英國禁止了石棉水泥管的生產，原因是發現了石棉對健康的負面危害。盡管如此，到了上世紀80年代末，AC管仍占英國水管總長的約11%。
　　聚氯乙烯(PVC)管跟球墨鑄鐵的引入時間相近，它的抗腐蝕性和韌性優于AC管，并在70年代開始流行，如今PVC管約占英國水管的13%。從上世紀80年代開始，聚乙烯管 (PE)也開始流行，并逐漸取代PVC管，因為PE管承壓能力更強，更耐用，因而沿用至今。

　　表2. 現代自來水管道的材質概況
　　研究團隊總結的管道自身造成故障的因素包括了接頭(腐蝕、漏損、連接不當)、管道涂層和襯里(抗腐蝕)、生產過程中產生的缺陷(壁厚不均、裂縫、雜質、冷疤)、運輸和存儲過程中損壞、化學品腐蝕、管道的老化和管道直徑尺寸。值得一提的是，研究團隊總結了由材質、尺寸引起故障率趨勢圖：

　　圖4. 不同材料的故障率隨時間的變化趨勢圖

　　圖5.各種材料隨管道直徑增大的故障率變化趨勢圖
　　環境因素的影響
　　除了管道內在因素，管道周圍的環境也是重要的因素。一般來說，裝在天氣條件穩定、土壤溫和濕潤的管道發生故障的頻率會更低。因此，預測模型需要考慮當地環境條件的數據。總的來說，主要的環境因素包括了季節更替、低溫、高溫和地質運動和土壤屬性等。如下圖所示，研究團隊統計發現，所有材料在春天故障最低，因為春季溫度適中，土壤濕度也適中，而夏季是AC和PVC管故障率最高的時間，因為這時候地下活動較頻繁，而鑄鐵管因為低溫影響在冬季故障率最高。

　　圖6. 不同管材隨月份變化的故障率趨勢圖
　　下面兩張圖則分別解釋了低溫造成管道破裂的機理(圖7)，以及土壤因氣溫和降水變化是如何造成管道故障的(圖8)。

　　圖7. 霜凍對管道造成的壓力

　　圖8. 富含粘土的土壤產生的季節性收縮膨脹效應
　　運行因素
　　最后，研究團隊討論了操作運行對管道故障的影響。他們表示過去的文獻里很少關于故障率的討論。其中一個可能的原因是對模型友好的有記錄的運行數據并不多。可能也因為如此，這部分的內容遠少于前兩個因素。他們首先羅列了日常運行會導致的管道故障的因素，包括壓力管理、沖洗事件、管網變更(如止回閥的更換)、消火栓測試、水溫變化以及靠近用水大戶等（例如農業設施）。然后重點對內部水壓和過往故障進行了展開討論。值得一提的是，他們指出許多模型對管道過往的故障歷史沒有足夠重視，盡管早在1988年就有文獻顯示22％的故障發生在前一次故障的1米范圍內，而42％的故障發生在第一次故障隨后的1天內。作者認為，除了老化之外，首次故障對周圍環境造成破壞，反過來增大了反復故障的可能性。
　　小結
　　環境數據科學家雖然熟悉環境數據的調用，但往往缺乏現場的運行經驗。英國Cranfield大學團隊這篇綜述，可以幫助數據科學家更好地了解管道故障發生的原因和模式，幫助后者減少對基建和環境數據的錯誤解讀，繼而建立更準確的故障預測模型。
　　通過這次統計研究，他們也發現了目前的數據庫的不足，例如運行因素，目前這部分的數據欠缺一致性和完整性，例如模型的內部水壓大多是基于假設，而不是實際測量值。這部分數據的補全，將進一步提高模型的準確性，這也反過來提高模型對公共服務決策的影響。